CN115109998A - 一种高强度、保淬透性齿轮用钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度、保淬透性齿轮用钢及其制备方法，所述齿轮用钢化学成分质量百分比为：C：0.19%~0.24%，Si：0.17%~0.25%，Mn：0.86%~0.89%，Cr：0.57%~0.62%，Mo：0.18%~0.20%，Ni：0.53%~0.57%，Al：0.035%~0.050%，P≤0.020%，S≤0.008%，B≤0.0003%，[O]≤0.0012%，[N]：0.0125%~0.0160%，余量为Fe。采用本发明生产的齿轮钢产品与目前市场上普遍使用的高淬透性钢相比，屈服强度大于1000MPa，抗拉强度大于1200MPa，冲击吸收能量KU2大于100J，奥氏体晶粒度达到7.0级，该钢种具有更高的强度与韧性，能有效提高复杂环境下齿轮钢的疲劳寿命，提高使用效率，降低综合使用成本。
Description
技术领域
本发明涉及齿轮用钢生产领域，具体涉及一种高强度、保淬透性齿轮用钢及其制备方法。
背景技术
齿轮钢主要应用于汽车、工程机械及机械制造业的传动部件。目前更多的齿轮生产制造企业更多的关注齿轮钢淬透性，要求具有更高的淬透性和窄淬透带。但随着工业技术的进步，对原材料性能要求的提高，
由于齿轮在传递动力和改变速度的运行过程中，齿根部需承受更高的弯曲应力，高质量的齿轮钢不仅需要有良好稳定的淬透性，同时要有更高的强韧性、耐磨性，能很好地承受冲击、弯曲和接触应力、具有高疲劳性。目前国内外齿轮钢主要用的SAE8620H(20CrNiMo)系列钢种，此钢种从成分设计角度主要考量钢的高淬透性、窄淬透带。而高速齿轮疲劳、齿轮热处理变形等问题一直没有得到很好的解决，其主要原因之一是材料成分设计不合理。见该钢种的化学成分：
发明内容
本发明的目的在于：提供一种高强度、保淬透性齿轮用钢，同时提供这种钢的制备方法。通过提高钢中Mn、Cr、Ni等合金元素含量，同时为了避免钢的高淬透性，通过添加一定量的氮元素、提高钢中铝含量，使得齿轮钢与目前市场上普遍使用的高淬透性钢相比，屈服强度大于1000MPa，抗拉强度大于1200MPa，冲击吸收能量KU2大于100J，奥氏体晶粒度达到7.0级。
本发明所采取的技术方案是：
一种高强度、保淬透性齿轮用钢，其化学成分质量百分比为：C：0.19%~0.24%，Si：0.17%~0.25%，Mn：0.86%~0.89%，Cr：0.57%~0.62%，Mo：0.18%~0.20%，Ni：0.53%~0.57%，Al：0.035%~0.050%，P≤0.020%，S≤0.008%，B≤0.0003%，[O]≤0.0012%，[N]：0.0125%~0.0160%，余量为Fe。
下面具体说明本发明高强度、保淬透性齿轮用钢化学成分的限定理由：
C：对齿轮钢淬透性和强度性能的贡献最大。碳元素在钢中主要发挥固溶强化、沉淀强化作用，显著提高钢的强度，同时又可以提高钢的淬透性和淬硬性；为保证此钢既有较高淬透性和强度，C含量控制在0.19%～0.24％之间。
Si：可提高钢的淬透性，但Si含量高易于产生石墨化现象和增加表面的脱碳倾向，降低了钢的塑性和耐冲击性能，因此按照本发明钢各项性能要求，适当降低Si含量，将Si含量控制在0.17%～0.25%之间。
Mn：锰和铁形成固溶体，提高铁素体和奥氏体的强度和硬度；扩大奥氏体相区，提高奥氏体组织稳定性，强烈的增加钢的淬透性，并可补偿低碳所造成的强度损失。当Mn含量低于0.80%时，材料的力学性能很难达到齿轮钢高强韧性的使用要求，当Mn含量高于0.90%时，加大了工件淬火后的变形趋势，对齿轮钢热处理工艺十分不利，另外Mn含量高时，有使晶粒粗化的倾向、增加钢的回火脆敏感性。因此，将Mn含量控制在0.86%～0.89%之间，即可提高钢的强韧性、又可保证钢的良好淬透性。
Cr：铬可以与锰起到相互激发的作用，充分发挥锰的作用，更能大大降低临界冷却速度，而使钢的淬透性提高。同时铬可以和铁能形成连续固溶体，形成氮碳化物，细化晶粒，提高钢的强韧性。因此按照本发明钢各项性能要求，适当提高Cr含量，即可提高钢的强韧性、又可保证钢的良好淬透性，因此本钢种Cr元素控制在0.57%~0.62%之间。
Mo：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力；可增加钢的最大强度及硬度，达0.2%左右即有良好作用，因此本钢种Mo元素控制在0.18%~0.20%之间。
P：增加钢的脆性，尤其是低温脆性，对钢材低温冲击功影响较大，且P为易偏析元素，造成钢严重偏析，对本钢种的使用来说，应该控制越低越好，因此，将P含量控制在0.020％以下，且尽可能的低。
S：在凝固过程中，MnS在晶界析出富集，成为应力集中源，促进晶界滑移，产生微裂纹，故硫化物严重影响钢的塑性。通常要求S≤0 .015%，本发明对S含量界定了明确的成分控制上限为0 .008%。
Ni：镍元素可以强烈提高钢的强度，另方面又始终使钢的韧性保持极高的水平，钢中Ni促进奥氏体形成，显著提高钢材的低温冲击韧性。但是由于镍是稀缺资源，价格昂贵，因此，钢中Ni含量适当提高至0.53%~0.57%。
Al：铝能细化钢的晶粒组织，提高低温冲击韧性，阻止钢加热时的晶粒长大，提高钢的耐磨性和疲劳强度。钢中Al过低，形成的AlN量太少，不足以阻止晶界迁移，以及不利于控制钢中低氧含量；钢中Al过高，形成的AlN颗粒大，抑制晶界迁移的效果也不好。因此，Al元素控制在0.035%~0.050%之间。
N：氮促使钢中形成细小弥散的碳氮化物等第二相析出物，在高温奥氏体化处理过程中能阻止晶粒长大，在控制轧制过程中能通过钉扎奥氏体晶界，细化晶粒。通过阻止位错在晶粒的内部滑移，可产生一定的沉淀强化，获得较高的强度和良好的综合性能，因此，本发明中通过提高Mn、Cr、Ni含量提高钢的强韧性，又保证钢淬透性不高，因此本钢种增加N元素控制在0.0125%~0.0160%之间。
B：当钢中含有微量的硼时，钢的淬透性可以成倍的提高，为保证钢淬透性的稳定，在较小范围内波动，因此，将B含量控制在0.0003％以下，且尽可能的低。
一种高强度、保淬透性齿轮用钢的制备方法，包括以下步骤：
1）使用脱硫铁水废钢作为原料，同时将镍板随同废钢一起加入转炉，采用顶底复吹转炉冶炼，终点钢水w([Ni])=0.40%~0.50%，出钢过程中前期加入铝饼进行钢水脱氧，后续加入合金，出钢后期加入石灰和精炼渣造渣；
2）钢水精炼过程升温、脱氧、造渣、合金化；精炼前中期对钢中Mo、Ni含量进行微调，采用渣面脱氧，使用铝脱氧剂进行钢水沉淀脱氧，控制精炼过程w([Al])= 0.030%～0.045%，控制RH进站钢水w([Al])= 0.040%～0.050%；
3）钢水经过RH真空处理进行钢水增氮，真空≤100pa状态下保持15min～25min；
4）RH破空后进行软吹，软吹时间在20 min～30min，之后将钢水吊运到连铸进行连续浇铸成坯。
本发明进一步改进方案是，所述步骤1）中，合金为含硼低的金属锰、硅铁和低碳铬铁，金属锰：w(Mn)>97%、w(B)<0.005%；硅铁：w(Si)>75%、w(B)<0.005%；低碳铬铁：w(Cr)>56%、w(B)<0.005%。
本发明进一步改进方案是，所述步骤2）中，LF精炼后期通过喂入铝线对钢水进行增铝，使RH进站钢水w([Al])= 0.040%～0.050%。
本发明进一步改进方案是，所述步骤3）中，钢水增氮为：采取RH处理前期钢水吹氮气进行增氮，或者，采取RH处理结束喂入氮锰丝线进行钢水增氮，使得钢中w([N])=0.0125%～0.0160%。
本发明的有益效果在于：
第一、本发明的一种高强度、保淬透性齿轮用钢，通过适当提高合金元素含量，实现齿轮钢的高强韧性。
第二、本发明的一种高强度、保淬透性齿轮用钢，通过钢中增加氮元素，保证钢强韧性同时，避免钢的淬透性过高，实现淬透性和强度、韧性的平衡，避免淬透值过高不利于齿轮车削加工。
第三、本发明的一种高强度、保淬透性齿轮用钢及其制备方法，获得的齿轮钢，屈服强度>1000MPa，抗拉强度>1200MPa，冲击吸收能量KU2>100J，奥氏体晶粒度达到7.0级以上，齿轮钢具有高疲劳性和热处理抗变形性。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明技术方案做详细说明。
按照以下方法生产制备3组实施例：
1）使用脱硫铁水、废钢作为原料，同时将镍板随同废钢一起加入转炉，采用顶底复吹转炉冶炼，终点钢水w([Ni])=0.40%~0.50%，出钢过程中前期加入铝饼进行钢水脱氧，后续加入含硼低的金属锰、硅铁和低碳铬铁等合金，出钢后期加入石灰和精炼渣造渣；
2）钢水精炼过程升温、脱氧、造渣、合金化。精炼前中期对钢中Mo、Ni含量进行微调，采用渣面脱氧，使用铝脱氧剂进行钢水沉淀脱氧，控制精炼过程w([Al])= 0.030%～0.045%，LF精炼后期通过喂入铝线对钢水进行增铝，使RH进站钢水w([Al])= 0.040%～0.050%；
3）钢水经过RH真空处理进行钢水增氮，真空≤100pa状态下保持15min～25min。采取RH处理前期钢水吹氮气进行增氮，或者，采取RH处理结束喂入氮锰丝线进行钢水增氮，使得钢中w([N])= 0.0125%～0.0160%；
4）RH破空后进行软吹，软吹时间在20 min～30min，之后将钢水吊运到连铸进行连续浇铸成坯。
以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。
表1为实施例1-3所得钢的化学成分：
| 元素成分/% | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | Al | [O] | [N] | B |
| 实施例1 | 0.22 | 0.21 | 0.87 | 0.013 | 0.005 | 0.58 | 0.20 | 0.53 | 0.038 | 0.0010 | 0.0134 | 0.0002 |
| 实施例2 | 0.22 | 0.22 | 0.87 | 0.015 | 0.004 | 0.57 | 0.20 | 0.53 | 0.037 | 0.0009 | 0.0135 | 0.0002 |
| 实施例3 | 0.22 | 0.21 | 0.86 | 0.014 | 0.003 | 0.58 | 0.20 | 0.54 | 0.040 | 0.0011 | 0.0131 | 0.0002 |
表2钢的淬透值按照GB/T225，热处理方式为925℃保温1h，端淬。钢材力学性能按照制作∮15mm试样，850℃淬火-油冷、200℃回火-空冷热处理方式。
Claims (5)
1.一种高强度、保淬透性齿轮用钢，其特征在于：化学成分质量百分比为：C：0.19%~0.24%，Si：0.17%~0.25%，Mn：0.86%~0.89%，Cr：0.57%~0.62%，Mo：0.18%~0.20%，Ni：0.53%~0.57%，Al：0.035%~0.050%，P≤0.020%，S≤0.008%，B≤0.0003%，[O]≤0.0012%，[N]：0.0125%~0.0160%，余量为Fe。
2.制备权利要求1所述一种高强度、保淬透性齿轮用钢的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）使用脱硫铁水、废钢作为原料，同时将镍板随同废钢一起加入转炉，采用顶底复吹转炉冶炼，终点钢水w([Ni])=0.40%~0.50%，出钢过程中前期加入铝饼进行钢水脱氧，后续加入合金，出钢后期加入石灰和精炼渣造渣；
2）钢水精炼过程升温、脱氧、造渣、合金化；精炼前中期对钢中Mo、Ni含量进行微调，采用渣面脱氧，使用铝脱氧剂进行钢水沉淀脱氧，控制精炼过程w([Al])= 0.030%～0.045%，控制RH进站钢水w([Al])= 0.040%～0.050%；
3）钢水经过RH真空处理进行钢水增氮，真空≤100pa状态下保持15min～25min；
4）RH破空后进行软吹，软吹时间在20 min～30min，之后将钢水吊运到连铸进行连续浇铸成坯。
3.如权利要求2所述的一种高强度、保淬透性齿轮用钢的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中，合金为含硼低的金属锰、硅铁和低碳铬铁，金属锰：w(Mn)>97%、w(B)<0.005%；硅铁：w(Si)>75%、w(B)<0.005%；低碳铬铁：w(Cr)>56%、w(B)<0.005%。
4. 如权利要求2所述的一种高强度、保淬透性齿轮用钢的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中，LF精炼后期通过喂入铝线对钢水进行增铝，使RH进站钢水w([Al])= 0.040%～0.050%。
5.如权利要求2所述的一种高强度、保淬透性齿轮用钢的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中，钢水增氮为：采取RH处理前期钢水吹氮气进行增氮，或者，采取RH处理结束喂入氮锰丝线进行钢水增氮，使得钢中w([N])= 0.0125%～0.0160%。
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